Разработка программно-технического компонента геоинформационной системы для мониторинга экологичности воздушного пространства

DOI:

Атмосферный воздух – это исключительная среда, которая обеспечивает существование жизни на Земле. Сохранение чистоты воздуха и его естественного состава – важнейшая задача, которая стоит перед современным научным сообществом и перед человечеством в целом. В этой связи чрезвычайно важно своевременно и достоверно осуществлять мониторинг экологичности окружающего воздушного пространства. Особенно это актуально в условиях действующих производств, деятельность которых связана с различными побочными негативными воздействиями на экологию прилегающих территорий. Однако такой мониторинг не всегда удается производить имеющимися традиционными средствами контроля, (наземного базирования, переносными, портативными – предназначенные для контроля загрязненности воздуха в приземном слое1), некоторые из них представляют собой переносные портативные лабораторные комплексы.

Зачастую локальный экологический мониторинг требуется осуществлять над труднодоступными территориями (территории промышленных производств, воздушное пространство над хвостохранилищами и отстойниками, пересеченная местность и др.) [1, 2]. В этой связи рассматривается беспилотный программноаппаратный комплекс, как элемент геоинформа-ционной системы, позволяющий осуществлять пробоотбор, а в перспективе анализ воздуха на содержание вредных примесей в атмосфере.

Устанавливают три категории постов наблюдений за загрязнением атмосферы: стационарный, передвижной и маршрутный [3]. В работе рассматривается маршрутный пост, который предназначен для регулярного отбора проб воздуха в фиксированной точке воздушного пространства при наблюдениях с фиксацией геолокационных данных. Маршрутный пост представляет собой беспилотный летательный аппарат (БПЛА), который выступает в качестве передвижного оборудования [5–10].

Конструкция и функциональные возможности

Большое значение для обеспечения повышенных функциональных возможностей, имеют конструкционные особенности используемого пробоотборника, установленного на БПЛА. Существующие аналоги маршрутных постов отличаются большой парусностью проботборных устройств [4], что позволяет использовать их только в безветренную погоду, либо в условиях, близких к идеальным – при слабом стабильном ветре.

Уменьшение массы, парусности конструкции позволяют расширить пространство, потенциально доступное для отбора проб, и использовать БПЛА в погодных условиях, далеких от идеальных. В настоящей работе это достигается благодаря принципиально новому устройству пробоотборника.

Для проведения дистанционного отбора проб воздуха используется специализированный комплекс, состоящий из:

• •    БПЛА;

• •    механизма отбора проб;

• •    системы управления с функцией беспроводной передачи данных, что дает возможность выполнять полет как в автоматическом, так и в ручном режиме.

БПЛА с необходимым оборудованием выполняет полет по заранее заданному маршруту (рис. 1), осуществляет отбор проб в определенных точках (их координаты определяются на стадии обсуждения технического задания и вносятся в программу полета) и доставляет их на базу. Полет маршрутного поста обычно проходит в автоматическом режиме, но при необходимости оператор может перейти на ручное управление и выполнить корректировку маршрута.

Рисунок 1. Маршрут полета и точки отбора проб воздуха

Figure 1. Flight route and air sampling points

Механизмы отбора проб воздуха установлены на раме квадрокоптера, по одному на каждый луч рамы. Для обеспечения полетных функций маршрутного поста и специальных функциональных возможностей – как элемента геоинформационной системы, конструкция включает устройство навигации, полетный контроллер и бесколлекторные электроприводы (рисунок 2).

-GPS closed. закрытый Пробоотборник Sampler open. открытый

Flight

Полетный controller

Servo

Сервопривод '

Бесколлекторный Non-collector двигатель         engine

Рисунок 2. Маршрутный пост для мониторинга экологичности воздушного пространства

Figure 2. Route the post to monitor the environmental performance of the airspace

Конструкция пробоотборника представлена на рисунке 3. Шток 1 впаян в две круглые плиты. Верхняя плита 2 выполняет роль заглушки, нижняя 3 осуществляет функции заглушки, ограничителя движения штока и держателя адсорбирующей таблетки 4 .

Рисунок 3. Подвижный механизм отбора проб воздуха

Figure 3. The movable selection mechanism of the air samples

Рисунок 4. Схема механизма пробоотбора воздуха

• Figure 4. Scheme of the mechanism of air sampling

Рабочий цилиндр (рисунок 4) фиксируется на луче рамы БПЛА 1 , который также является направляющим элементом для штока. Сервопривод 2 связанный со штоком посредством рычага, приводит его в движение, рычаг 3 преобразует вращательное движение сервопривода в возвратно-поступательное. Перемещение штока даёт возможность окружающему атмосферному воздуху 1 (рисунок 5), нагнетаемому винтами квадрокоптера, проникать в рабочий цилиндр, в котором на нижней плите штока располагается адсорбер 2 (адсорбирующая таблетка).

Рисунок 5. Механизм отбора проб в момент пробоотбора

Figure 5. Sampling mechanism at the time of sampling

При завершении сбора проб рабочий цилиндр отсоединяется вместе с конструкцией штока и отправляется в лабораторию.

Описание комплекса программнотехнических средств маршрутного поста

Система управления маршрутным постом сконфигурирована на основе аппаратной платформы семейства микроконтроллеров Arduino. В частности, микроконтроллер UNO R3 предназначен для осуществления полетных функций БПЛА (рисунок 6) и управления системой пробо-отбора в автоматическом и ручном дистанционном режиме. Система управления полетной функцией БПЛА включает набор датчиков, позволяющих производить геолокацию устройства в пространстве. Система обеспечения геолокации включает модуль GPS GY-NЕО6МV2, ультразвуковой дальномер HC-SR04 со встроенным АЦП, барометр GY-68 (со встроенным микроконтроллером ВМР180), модуль гироскопа и акселерометра GY-521 МРU6050, предоставляют возможность задания и контроля маршрута передвижения.

В ручном дистанционном режиме управление сервоприводами осуществляется нажатием на соответствующие кнопки на пульте управления (контакты S1-S4), управляющие сигналы с которых передаются на вход дискретно-цифрового преобразователя микроконтроллера Arduino Nano. Управление полетной функцией в ручном дистанционном режиме осуществляется посредством набора потенциометров, сигналы с которых непосредственно поступают на аналого-цифровые преобразователи контроллера.

Связь между пультом и беспилотным летательным маршрутным постом осуществляют радиомодули HC-12 на основе трансивера SI4463 и микроконтроллера SТМ8. Информация, поступающая на радиомодуль с пульта управления, передается по интерфейсу UART (RS232), далее трансивер SI4463 осуществляет передачу данных по радиоканалу на частоте 433 МНz на радиомодуль объекта управления.

Получив управляющую информацию, микропроцессор микроконтроллера объекта управления обрабатывает полученные данные и подает управляющие воздействия на дискретные выходы микроконтроллера, сигналы с которых поступают на сервоприводы SG-90, оснащенные обратной связью для точной установки углового положения ротора сервопривода и систему управления бесколлекторными электроприводами.

Аппаратная платформа Arduino UNO R3

GPS-нодуль GY-NfO6MV2 МК NE0-6M Е7

Датчик |ZL

Цифровой

?GPCMFrp 3Y-h“

МК ВМР180 U

Датчик ]

Модуль гироскопа и акселерометра GY-521 MPU6O5O МК MPU6050 ] ~

Ритмики 16шт! 1

Цифробой датчик расстояния пХ I"

Датчики

RAM 2КВ | Host! 32КВ | "^

бчй# !6pnsl

АГтеда328р

Оссдрепные ПСрпУ

НК Д[тедп 8а

РИМ OUT

Исполнительные механизмы

Бесколлекторные

Зб игате ли___

А2212 1OOOKV

БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ МАРШРУТНЫЙ ПОСТ

Unmanned aerial Routing Post

Рисунок 6. Коммуникационная схема информационных потоков в системе управления

Figure 6. Communication scheme of information flows in the control system

Заключение

Разработан пилотный образец автоматизированной системы пробоотбора воздуха – составной элемент геоинформационной системы контроля степени и состава загрязнений воздушного пространства. Реализация системы пробоотбора в пилотном образце позволяет увеличить пространство, возможное для отбора проб воздуха, и сделать устройство менее